“Mạng tinh thể phễu xoáy” có thể giúp giải thích các lỗi của vật chất

Bạn sẽ có được gì khi chồng một ảnh quay của các tia laser cắt nhau lên một đám mây quay tròn với các nguyên tử cực lạnh trong một lớp khí mỏng? cái bạn đạt được không chỉ là những bức ảnh đẹp mà còn là một phương pháp mới có thể sử dụng để tái tạo bằng mô hình, giúp giải thích được lý do tại sao và làm thế nào mà các lỗi lại phát sinh trong chất siêu dẫn, một vật liệu quan trọng khó có thể nghiên cứu một cách trực tiếp.

Bằng cách kết hợp 2 vật được tạo ra trong phòng thí nghiệm gần đây nhất -- mạng tinh thể quang học và nguyên tử quang học trong một vật chất gọi là Bose-Einstein Condensate (BEC) quay tròn trong một bẫy giống như các hành tinh quay theo quỹ đạo quanh mặt trời -- các nhà vật lý tại viện JILA đã phát triển được một phương pháp có thể giúp hình dung ra được các lỗi hoặc chổ hỏng của vật chất qua các ảnh quay.

Bộ ảnh của viện JILA cho thất vật chất Bose-Einstein condensate (BEC) quay “ghim” vào mạng tính thể quay được tạo ra bằng laser, khi hình dáng của “mạng tinh thể xoáy” kết hợp, phát triển từ có dạng hình tam giác (bên trên) thành dạng có hình vuông (bên dưới). Các ảnh bên trái cho thấy mạng tinh thể phễu xoáy BEC đang quay với cường độ quang học thấp, trung bình và cao (từ trên xuống). Những bức ảnh tương ứng bên phải là ảnh máy tính xử lý, cho biết mối quan hệ cấu trúc giữa phễu xoáy và mạnh tinh thể của vật chất BEC với tính đối xứng của cấu trúc vật lý được hiển thị bằng màu đỏ (có dạng hình lục giác, tam giác và hình vuông) (Ảnh: nhóm Cornell/ VIện JILA).

Những thí nghiệm này được công bố trong bài viết được đăng tải trên tạp chí Physical Review Letters online ngày 12 tháng 12, những thí nghiệm tạo ra đương lượng của “cơn lốc xoáy trong thung lũng”, trưởng nhóm Eric Cornell, viện sĩ tại Viện Tiêu chuẩn và Công nghệ Quốc gia NIST cho biết. Viện JILA là cơ quan hợp tác giữa Viện NIST và trường Đại học Colorado ở Boulder.

Vật chất Bose-Einstein Condensate là một dạng vật chất độc đáo, được tạo ra lần đầu tiên bởi Ông Cornell và đồng nghiệp Carl Wieman tại viện JILA. Trong vật chất này, các nguyên tử bị làm lạnh ở mức gần không độ tuyệt đối (absolute zero) và tại điểm mà theo các quy tắc vật lý lượng tử thì các nguyên tử sẽ cô đặc lại thành “siêu nguyên tử” vô định hình mà trong siêu nguyên tử đó, không thể phân biệt được các nguyên tử riêng lẻ.

Một phần sự quyến rũ về mặt khoa học của vật chất BEC là chúng có cùng các tính chất vật lý quan trọng với các hiện tượng có vẻ hoàn toàn khác nhau, như là các electron cặp đôi năng lượng thấp trong chất siêu bán dẫn hay chất “siêu lỏng” ("superfluid") helium-4, một chất vô cùng loãng, không có sự cản trở dòng chảy trong lòng chất lỏng (độ nhớt động học = 0), ma sát giữa các phân tử trong dung dịch vô cùng nhỏ (coi như là bằng không) và không có sức căng bề mặt. Chẳng hạn như, helium-4, không luân chuyển vòng quanh vật chứa nó như nước ở trong ly mà lại phá vỡ dãy thứ tự của phễu xoáy được lượng tử hóa hay là cơn lốc xoáy nhỏ. Và vật chất BEC cũng có tính chất giống như vậy.

Các thí nghiệm của viện JILA được thực hiện với 3 triệu nguyên tử rubiđi trong một bẫy từ trường. Tính siêu lỏng của phễu xoáy được tạo ra bằng cách quay tròn chiếc bẫy. Đám mây vật chất BEC màu đỏ, có đường kính khoảng 100 micromet, chứa khoảng 100 xoáy trũng, giống như một bó sợi xoay tròn. Các tia laser được sử dụng để thiết lập mạng tinh thể quang học có dạng hình tam giác và hình vuông và hội tụ các mạng tinh thể này lên vật chất BEC.

Mạng tinh thể và các phễu xoáy chồng lên nhau và trong những điều kiện nhất định như khi chúng quay tròn với tốc độ gần như nhau, thì chúng có khuynh hướng kết dính lại với nhau. Đỉnh điểm năng lượng của mạng tinh thể sẽ “ghim” vật chất BEC vào những điểm đó bằng cách làm giảm mật độ của chất siêu lỏng chảy quanh phễu xoáy cục bộ.

Nhóm nghiên cứu JILA đã hình dung được cấu trúc hoặc các hình ảnh lặp lại của các phễu xoáy quay tròn bằng cách chụp ảnh trong các cuộc thí nghiệm và sau đó sử dụng kỹ thuật xử lý ảnh để thấy được làm thế nào cấu trúc và sự định hướng mạng tinh thể của phễu xoáy lại liên có quan đến cấu trúc và sự định hướng mạng tinh thể quang học. Mạng tinh thể của phễu xoáy và các tín hiệu quang học đỉnh điểm phát triển thành các hình dáng khác nhau, ở cường độ laser và tốc độ quay khác nhau. Bởi vì vật chất dạng BEC và mạng tinh thể quang học có thể được kiểm soát một cách chính xác nên kỹ thuật mới này có thể hữu ích trong việc nghiên cứu các “chất siêu lỏng” có cấu trúc bí ẩn hơn như chất siêu bán dẫn chẳng hạn.

Thanh Vân